电驱动轮组在多轴线平板运输车辆领域的应用分析

孟宪鑫，李 静，杨桂龙

（1.秦皇岛天业通联重工科技有限公司，河北 秦皇岛 066000；2.河北省重型装备技术研究中心，河北 秦皇岛 066000）

多轴线平板运输车是一种多轴线、多悬架，多驱动轮组的轮胎式非道路特种运输车辆（以下简称“平板车”），具有超长超宽、质量大、轴线多的特点。随着我国经济建设的发展，对特大型钢结构部件、大型混凝土桥梁部件、大型整台机械部件等大型货物的运输需求越来越大，因此平板车作为一种轮胎式的场内非道路运输交通工具，在机械、建筑、冶金、石油化工、航空航天等各领域都发挥着不可替代的作用。

目前，市场上主流销售的平板车轮组驱动模式基本上都采用液压驱动形式，即液压泵驱动液压马达带动轮边减速机使平板车轮组转动。随着电驱动轮组的技术不断发展，乘用类电动汽车技术逐步完善，电驱动轮组已开始被尝试引入非道路工程车辆领域，以替换传统平板车的液压驱动轮组。电驱动动力技术作为一种新型的车辆动力技术，对现阶段工程类特种车辆的发展起到了积极的推动作用，提供了一个非常重要的发展方向[1]。

1 平板车电动驱动系统方案概述

电动驱动轮组的平板车动力总成一般由柴油发电机组、电驱动轮边总成、电池组及其管理系统及轮组控制系统组成。在平板车运行过程中，车辆的系统控制、各执行操作机构的动力分配及动力系统的能量管理主要是通过CAN 总线技术来实现的。根据整车中央控制系统的程序命令，由柴油发动机、整流器以及发电机组成平板车的动力发电机组，通过配套的动力电池组共同为平板车轮组电动马达提供所需要的电能。该系统通过对电动马达及其控制系统的驱动，让电动马达运转，将电能转化为机械能，带动轮边减速机，进而驱动车辆轮组转动[2]。当平板车进行制动时，电动马达将车辆产生的动能再生为电能，然后将电能反馈至动力电池组中，以实现车辆的制动能源回收。

2 电驱动轮组与液压驱动轮组的区别

现阶段，大型液压动力平板车的驱动系统多采用以闭式液压传动为主的传动技术方式，闭式液压系统是由液压泵和液压马达组成的容积调速系统，通过调节液压泵或者液压马达的排量，达到调节马达的输出转速和输出扭矩。该系统适用于外部负载惯性大，需要频繁进行换向操作的机构，更由于其控制方式灵活，易于实现无极调速功能、布局方便、结构紧凑、占用空间小、控制方式灵活和过载保护能力强等特点，在大型工程车辆的驱动系统中应用得非常广泛。

与液压驱动轮组相比，电驱动轮组在设备维护成本及节能减排方面具有显著的优势：轮组的驱动电机代替了传统的液压马达，大幅减少了车辆对工业液压油的使用，降低了车辆使用方对工业废油的处理成本；在轮组配套柴油发电机组加动力电池组的双供能模式中，动力电池组可以接收轮组电机制动时产生的电能，进行回收利用，有效降低发电机组的燃油消耗，起到节能减排的作用。

相对于液压驱动轮组的成熟技术，电驱动轮组在平板车类特种车辆的领域应用中尚处于起步研究阶段，配套控制系统及电动元器件尚未形成成熟系统的供应链体系，在实际设计生产制造中还受到很多方面的制约：配套零部件制造尚处于起步阶段，市场需求较少，配套的生产厂家制造的零部件缺少标准化、模块化设计，多是根据平板车生产厂的具体要求进行定制化的设计制造，这导致其配套零部件的制造成本较高、供货周期长；各部件之间的控制系统匹配性、兼容性差；轮组的驱动电机配套附件较多，所需安装空间尺寸相对较大，同等动力性能参数下，电动元器件所需安装的空间尺寸几乎是液压元件的1 倍，故电驱动轮组平板车在产品设计时，需要对平板车的相关结构进行较大的调整，才能满足电驱动轮组的安装要求，同时还能保证原有平板车机构的灵活性。电驱动轮组的系统复杂、配套供货体系尚不成熟，设备整体设计制造成本较高，导致其现在尚未大范围地应用到工程车辆领域中。

3 平板车整体控制模块的设计

针对平板车的多轴线驱动轮组的布置方式，如果想用电驱动轮组实现传统液压驱动平板车轮组的相关功能，最关键的是要实现车辆整体系统的协调控制。传统的液压闭式驱动系统可以利用限流阀、分流阀或调节液压马达排量等方式解决轮组行驶时的驱动力分配、转向过程中内外轮组的差速问题，保证运输车在行驶过程中轮组的驱动性能达到最佳状态。电驱动轮组要实现上述功能，则需在设计平板车的驱动模块时，针对车辆的各种运行工况进行大量的数据收集与运算，协调控制好平板车行驶过程中各轮驱动电机的驱动扭矩及转速输出状态，同时需根据运输车启动和制动条件，制定电动轮组的能源回收策[3]。

根据平板车的实际使用工况，进行电驱动轮组整车扭矩协调控制方案的设计时，应着重从下列工况入手。

3.1 平板车直线行驶控制的设计

当平板车在平整良好的道路上直线行驶时，各驱动轮组不需要差速分配，故在行驶过程中，平板车的中央系统只需要对各驱动轮的驱动力矩进行平均分配，就可以保证车辆左右两侧的车轮转速保持一致，实现运输车的直线行驶功能。在直线行驶工况下，设计人员只需考虑车辆的动力性能力要求，就可以确定驱动轮数量，然后针对平板车的结构形式、空间尺寸及行驶道路坡度等技术参数对驱动轮组进行布置。

3.2 电动轮组输出扭矩的协调控制设计

电动轮组的输出扭矩控制系统的主要作用是保证同一轴线上各驱动轮间的协调运转，在控制功能上主要可分为单电机扭矩控制、多电机同步协调控制等。设计系统的扭矩协调控制时，建立电机驱动力的分层控制系统是极为关键的一步。驱动力分层控制本质上就是对车辆直接横摆力矩的控制，其控制原理是通过运输车配套的各种传感器采集车身实时的运动姿态参数，将其与理想运动姿态参数进行比较，运输车控制系统计算出纠正车身运动姿态所需的理想横摆力矩，此横摆力矩是由各轮驱动力对车辆质心的扭矩差组成的[4]。驱动力的分层控制策略具有较好的动力学控制效果，能有效提高运输车在行驶过程中的稳定性。此外，在直行行驶的工况下，针对因路况不佳、驱动轮组布置不对称或个别驱动电机出现故障而导致的驱动电机在输出扭矩不相等或者转向机构故障等所引起的跑偏现象，可以依靠驱动力分层控制策略制定修正横摆力矩，达到补偿电机输出、修正运输车的效果。

3.3 驱动轮组差速控制系统设计

平板车的轮组在进行转向操作时，各轴线轮组的转角关系和轮胎的转动速度可以由阿克曼转向原理所建立的数学模型进行推导计算，得出各轴线轮组转角与对应轮组电机输出转速之间的数学关系。

在平板车行驶过程中，通过传感器对整车质心速度和方向盘转角的检测，系统程序可计算出每个驱动车轮绕转向中心的线速度和车轮所需的电机转速，通过中央控制器发出指令，实现对电机转速的调节分配；使驱动轮组实现差速转动，从而让平板车实现平稳转向。

4 驱动电机的选型原则

从车辆使用的动力性、持续工作的稳定性和安全性的角度出发，选择车辆驱动轮组电机及其控制系统时，需要充分考虑设备的运行工况、使用频率、动力部件故障概率等相关因素，采取冗余设计，确保运输车行驶过程中的可靠性和安全性。

轮组的驱动电机应有比较宽泛的调速范围，电机的最高转速最好不低于2 倍基速，运输车采用多轴线轮分布式电驱动方案时，配套的驱动电机的应具有良好的扭矩过载能力以及功率过载能力，扭矩峰值应不低于2 倍的额定扭矩值，峰值功率应高于1.5 倍的额定功率值，并且电机在扭矩及功率过载的工况下，仍能工作5min ～10min。

5 平板车动力管理模块设计

目前较普遍的电驱动轮组平板车的动力配套方案：柴油发动机带动发电机发电，发电机发出的三相交流电经过整流后和动力电池组并联提供直流电压，直流电压经过电机控制器逆变成大小和频率可变的交流电给驱动电动机供电，使电动轮组正常工作。

由于平板车的电驱动轮组会涉及多个用电单元，因此设计车辆的供能系统管理模块时，需要对平板车动力部件的算法进行科学合理制定，确保其能合理实现对车辆能源的分配管理以及系统控制，保证各部件之间的协同合作，使平板车具有良好的动力性和续航能力[5]。

6 结束语

综上所述，随着现代电动驱动的技术越来越完善，电动驱动轮组已经开始逐步被应用到更多的特种车辆的动力驱动方案设计中，电驱动技术的应用对于促进特种车辆工程的发展有着非常积极的意义[6-7]。结合我国特种工程车辆行业的发展现状，工程车辆电驱动系统的研究依然处于起步阶段，其相关技术尚存在一定的不足，只有结合社会的发展以及相关使用产业实际需求，加强对特种车辆电驱动轮组系统的研究，才能实现我国特种车辆工程行业的长效发展。